煤層氣魚(yú)骨狀可控水平井完井方法與實(shí)踐

李宗源，劉立軍，陳必武，李佳峰，劉 斌，劉 峰

（1．華北油田公司 煤層氣事業(yè)部，山西 長(zhǎng)治046000；2．中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司 煤層氣開(kāi)采先導(dǎo)試驗(yàn)基地河北 任丘062550；3．河南理工大學(xué)，河南 焦作454150）

多分支水平井具有控制面積大、導(dǎo)流能力強(qiáng)、理論采收率高等優(yōu)勢(shì)[1]，華北油田多分支井個(gè)別井最高日產(chǎn)氣量達(dá)到6 萬(wàn)m3，累產(chǎn)已突破1 億m3，表明多分支井可獲得高產(chǎn)。但傳統(tǒng)的煤層氣多分支水平井全部采用裸眼完井方式，華北油田前期在沁水盆地采用清水鉆裸眼多分支井100 余口，產(chǎn)氣呈現(xiàn)明顯的“二八”現(xiàn)象，平均單井日產(chǎn)量?jī)H3 000 m3[2-3]，特別在后期鄭莊、鄭北區(qū)塊的擴(kuò)建中，裸眼多分支水平井平均日產(chǎn)氣量遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期，表明裸眼多分支水平井技術(shù)無(wú)法滿足不同地質(zhì)條件生產(chǎn)需要[4]，因此亟待優(yōu)化研發(fā)一種適應(yīng)我國(guó)煤層特點(diǎn)的多分支水平井新井型。

1 傳統(tǒng)多分支水平井問(wèn)題分析

裸眼多分支水平井由1 口工藝井（即多分支水平井）和1 口排采井組成，工藝井與排采井連通，利用分支最大程度的保持井筒泄流面積, 是前期開(kāi)發(fā)煤層氣的主要手段之一[5]，但整體產(chǎn)氣效果差。通過(guò)開(kāi)發(fā)實(shí)踐與研究，認(rèn)識(shí)到裸眼多分支水平井主要存在以下問(wèn)題：

1）洞穴井排采，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。需要2 個(gè)井場(chǎng)，對(duì)煤層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造要求嚴(yán)格，洞穴排采期間易發(fā)生垮塌，堵塞產(chǎn)氣通道，或者井眼部分錯(cuò)位，導(dǎo)致排采設(shè)備難以入位。

2）沁水盆地高階煤割理裂隙發(fā)育易受污染[6]，為保護(hù)儲(chǔ)層，多采用清水鉆進(jìn)，但煤層強(qiáng)度低、部分井段煤層破碎導(dǎo)致鉆井事故頻發(fā)，建井周期長(zhǎng)。特別是當(dāng)主支井眼發(fā)生坍塌時(shí)，鉆井不得不提前完鉆，坍塌點(diǎn)以后的所有進(jìn)尺成為無(wú)效進(jìn)尺，若坍塌點(diǎn)在排采井附近，則全井進(jìn)尺基本作廢。

3）裸眼完井，生產(chǎn)期間主井眼易垮塌堵塞通道，大大降低產(chǎn)氣能力，且管串無(wú)法重入井眼，無(wú)法疏通作業(yè)、無(wú)法增產(chǎn)改造。

4）不同地質(zhì)條件生產(chǎn)效果差異明顯，適用條件相對(duì)苛刻，整體投入產(chǎn)出比低。在單井投資1 000 萬(wàn)元的鉆井成本下，加上產(chǎn)氣效果良好的樊莊區(qū)塊，華北油田投入的100 余口多分支井平均日產(chǎn)氣量?jī)H3 000 m3左右，在鄭莊、鄭北等區(qū)塊低效井連片。

2 魚(yú)骨狀水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

針對(duì)上述裸眼多分支水平井存在的問(wèn)題，以井眼可控、利于改造、快速高效、廣泛適應(yīng)為總體設(shè)計(jì)理念，從井身結(jié)構(gòu)、鉆井液體系、鉆進(jìn)方式、完井工藝、污染解除5 個(gè)方面對(duì)水平井進(jìn)行優(yōu)化，形成煤層氣新型魚(yú)骨狀可控水平井鉆完井工藝技術(shù)。

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)的裸眼多分支水平井由工程井與排采井組成，采用洞穴直井進(jìn)行排采,常規(guī)裸眼多分支井井身結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。隨著無(wú)桿舉升工藝[7]的進(jìn)步,簡(jiǎn)化為工程井直接排采，解決了洞穴直井易垮塌問(wèn)題，節(jié)約排采井井場(chǎng)、鉆井及連通費(fèi)用，單井可節(jié)約200 萬(wàn)元。

圖1 常規(guī)裸眼多分支井井身結(jié)構(gòu)示意圖

前期多分支水平井基本采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，煤層段采用φ152.3 mm 鉆頭專層專打，完鉆后裸眼完井。該井身結(jié)構(gòu)對(duì)安全鉆進(jìn)提供了有利條件，但生產(chǎn)期間井眼難以重入作業(yè)，大大縮短了煤層氣水平井采氣壽命。魚(yú)骨狀可控水平井為方便后期管串重入、作業(yè)改造，結(jié)合沁水盆地上部地層相對(duì)穩(wěn)定、不存在異常壓力系統(tǒng)、煤層埋深相對(duì)較淺特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)采用φ311.2 mm 鉆頭下入φ244.5 mm 表層套管封固上部疏松層、地表水層，二開(kāi)全井段采用φ215.9 mm 鉆頭下入φ139.7 mm 完井管串，封固煤層以上斜直井段, 魚(yú)骨狀可控水平井井身結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 魚(yú)骨狀可控水平井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 完井工藝優(yōu)化

高階煤煤巖膠結(jié)差，強(qiáng)度低，井壁易失穩(wěn)，裸眼完井對(duì)許多區(qū)塊適用性差，存在裸眼段易垮塌、易堵塞、無(wú)法疏通作業(yè)、無(wú)法增產(chǎn)改造等問(wèn)題。因此，現(xiàn)階段優(yōu)選試驗(yàn)主支套管/篩管完井，分支裸眼完井，保證主支產(chǎn)氣通道暢通，后期可重入主支進(jìn)行洗井疏通、改造增產(chǎn)等作業(yè)。

2.3 鉆井液體系優(yōu)化

針對(duì)多分支井清水鉆進(jìn)事故復(fù)雜率高的問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐，形成了以“井壁穩(wěn)定為基礎(chǔ)、污染預(yù)防、防治結(jié)合”的鉆井液體系優(yōu)化理念。通過(guò)大量的室內(nèi)外試驗(yàn)[8-10]，調(diào)整各泥漿材料配比、泥漿密度、黏度等性能，優(yōu)選出了可降解、絨囊鉆井液體系，有效保證了井壁穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)二開(kāi)安全快速鉆井；通過(guò)在井壁表層形成暫堵層減少鉆井液侵入，避免煤層深部污染。

優(yōu)選的鉆井液體系可降解性高，分支完鉆后通過(guò)注入低濃度破膠劑解除污染，主支可通過(guò)循環(huán)破膠洗井或分段壓裂改造的方式解除儲(chǔ)層污染。

2.4 鉆進(jìn)方式優(yōu)化

鉆進(jìn)方式的選擇主要依據(jù)完井方式來(lái)確定。前期裸眼多分支井均采用后退式鉆進(jìn)方式，有效避免了已鉆分支夾壁墻不穩(wěn)定部位，降低了井下風(fēng)險(xiǎn)，但主井眼不再是一個(gè)光滑的井眼，管串無(wú)法重入主井眼。為保證主支順利下入套管，魚(yú)骨狀井設(shè)計(jì)采用遞進(jìn)式鉆進(jìn)方式，通過(guò)鉆井參數(shù)優(yōu)化及鉆井液體系降低分支夾壁墻垮塌風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，形成了“五低”的施工參數(shù)：低排量（13～18 L/s）、低鉆壓（20～40 kN）、低轉(zhuǎn)速（20 r/min）、低泵壓（低于10.3 MPa）、低密度（1.02～1.06 g/cm3）。

2.5 污染解除工藝優(yōu)選

裸眼多分支井因無(wú)法重入，無(wú)有效的污染解除措施。而針對(duì)魚(yú)骨狀主支篩管完成井，根據(jù)因勢(shì)降壓原理，主分支上傾布置，完井后洗井存在洗井液無(wú)法進(jìn)入分支、分支破膠不徹底等問(wèn)題，為此，優(yōu)化設(shè)計(jì)氮?dú)鈿馀e洗井工藝，利用負(fù)壓作用促使分支泥漿返吐，解除全井段污染；針對(duì)主支套管完成井，可進(jìn)行分段改造。

3 配套關(guān)鍵技術(shù)

3.1 遞進(jìn)式鉆進(jìn)方式

魚(yú)骨狀井遞進(jìn)式鉆進(jìn)方式如圖3。魚(yú)骨狀水平井煤層段在鉆達(dá)著陸點(diǎn)b 之后先沿主支方向鉆進(jìn)，到達(dá)分支點(diǎn)c 開(kāi)始沿分支1 方向鉆進(jìn)，以探明主支（分支點(diǎn)c 到分支點(diǎn)d）將要穿過(guò)的煤層產(chǎn)狀，分支1完鉆后分支低濃度破膠，并修正構(gòu)造圖；在新的構(gòu)造圖的基礎(chǔ)上沿主支方向側(cè)鉆主支，到達(dá)分支點(diǎn)d直接沿分支2 設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)，完鉆后再次修正構(gòu)造圖；在新的構(gòu)造圖的基礎(chǔ)上繼續(xù)鉆進(jìn)主支；按此方式依次完成主、分支的鉆進(jìn)。管串在重力作用下，優(yōu)先進(jìn)入低部位的井眼，主井眼平整光滑，無(wú)須定向儀器的引導(dǎo)可順利重入。

圖3 魚(yú)骨狀井遞進(jìn)式鉆進(jìn)方式

3.2 免鉆塞半程固井技術(shù)

由于煤層巖石力學(xué)強(qiáng)度低，煤層段易漏失、煤儲(chǔ)層膠結(jié)性差，全井段固井難以保證后期改造時(shí)能全部有效封隔。前期采用半程固井工藝存在分級(jí)箍和盲板鉆磨處理不徹底、套管損壞，導(dǎo)致后期作業(yè)、下泵困難。因此，優(yōu)化采用免鉆塞半程固井技術(shù)，利用免鉆式液壓分級(jí)箍及管外封隔器下至煤層段上部穩(wěn)定地層，投球前可實(shí)現(xiàn)井筒循環(huán)，投球后在地面通過(guò)水泥車或泥漿泵蹩壓，依次坐封封隔器、打開(kāi)分級(jí)箍水泥孔，注水泥完成后，打膠塞碰壓合格侯凝；之后下入打撈工具打撈封隔器內(nèi)套及壓塞總成，完井套管串內(nèi)通徑一致且內(nèi)表面光滑通暢，為后續(xù)措施增產(chǎn)及下泵投產(chǎn)提供了良好的作業(yè)環(huán)境。

通過(guò)半程固井工藝，可減少1 次中完，實(shí)現(xiàn)煤層段不固井，消除水泥漿對(duì)儲(chǔ)層污染。對(duì)半程固井的套管完成井，后期用噴砂射孔工藝，依靠噴射射孔期間管外煤粉及細(xì)砂混合堆積、壓實(shí)形成段間封隔。

3.3 魚(yú)骨狀水平井分段改造技術(shù)

針對(duì)套管完成井，通過(guò)對(duì)水平段分段改造，實(shí)現(xiàn)分支通道與壓裂耦合降壓。目前采用普通油管底封拖動(dòng)方式，分段壓裂改造點(diǎn)選擇在分支間，最大限度增加溝通范圍；分段造穴改造點(diǎn)選擇在分支處，利用噴射造穴溝通分支, 魚(yú)骨狀水平井分段改造模式圖如圖4。

圖4 魚(yú)骨狀水平井分段改造模式圖

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

截止2018 年7 月，華北油田完鉆煤層氣魚(yú)骨狀可控水平井9 口，其中篩管及套管完井分別為8 口及1 口，平均水平主支段長(zhǎng)945 m，平均煤層進(jìn)尺為2 430 m，鉆井周期較“十二五”多分支水平井48.36 d 縮短至目前的31.75 d，縮短34.3%，重入及成井率100%。

ZS76-1 井是華北油田布置在鄭莊區(qū)塊的1 口二開(kāi)魚(yú)骨狀水平井，全井總進(jìn)尺為3 603 m，主支長(zhǎng)為1 026 m 采用套管完井，6 分支總長(zhǎng)1 814 m 采用裸眼完井，煤層鉆遇率高達(dá)99.29%，并首次在鄭莊區(qū)塊進(jìn)行了魚(yú)骨狀水平井分段改造施工。

1）鉆井情況。2016 年10 月1 日一開(kāi)采用φ311.15 mm 空氣錘進(jìn)行一開(kāi)注氣鉆進(jìn)。鉆具結(jié)構(gòu)：φ311.15 mm 氣錘+φ165 mm 無(wú)磁鉆鋌+φ165 mm 鉆鋌+φ127mm 鉆桿。鉆穿漏失層在240 m 完鉆，下入φ244.5 mm 套管至井底，固井水泥漿返至地面。10 月5 日采用φ215.9 mm 鉆頭采用聚合物鉆井液開(kāi)始二開(kāi)上直段鉆進(jìn)。先組合常規(guī)上直段鉆具組合鉆至井深438 m，起鉆更換定向段鉆具, 鉆具結(jié)構(gòu)為：φ215.9 mm 鉆頭+φ172 mm 螺桿（1.5°立林）+回壓凡爾+坐鍵 接 頭＋φ165 mm NDC+φ127 mm DP+φ127 mm DP+φ127 mm WDP+φ127 mm DP，在440 m 處開(kāi)始造斜，鉆進(jìn)至井深772 m 處著陸，更換為絨囊鉆井液體系，1 月10 日0 主支鉆進(jìn)至880 m 開(kāi)始擺方位打第一分支L1，鉆進(jìn)至1 180 m L1 完鉆；撤回至主支880 m 處繼續(xù)主支鉆進(jìn)至980 m 擺方位打第二分支L2，鉆進(jìn)至1 283 m L2 完鉆；撤回至主支1 842 m 處鉆進(jìn)主支，依次完成1 個(gè)主支、6 個(gè)分支的鉆進(jìn)，至主支井深1 798 m 全井完鉆，總進(jìn)尺3 603 m，煤層總進(jìn)尺2 831 m，鉆井周期27 d。

2）固完井情況。10 月22 日下入φ139.7 mm 浮鞋+N80 套管串+免鉆球座+免鉆封隔器+免鉆分級(jí)箍+φ139.7 mm 套管串的管串組合至井底，采用免鉆塞半程固井技術(shù)進(jìn)行固井，1 月24 日采用打撈矛順利將井筒內(nèi)免鉆裝置提出，測(cè)固井質(zhì)量合格。

3）分段改造施工及投產(chǎn)情況。11 月5 日，采用底封拖動(dòng)分段改造工藝進(jìn)行了7 段分段壓裂+6 段噴砂射孔施工，避開(kāi)套管接箍，選取水平段全烴值較高段設(shè)置多個(gè)射孔點(diǎn)和改造點(diǎn)，確保了分支與主支交匯點(diǎn)采用噴砂射孔方式聯(lián)通，在分支控制區(qū)域外進(jìn)行水力噴射壓裂對(duì)主支進(jìn)行改造。全井施工壓力正常，壓裂液量與加砂量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，也表明了二開(kāi)魚(yú)骨狀井身結(jié)構(gòu)及半程固井工藝可滿足分段壓裂層間自封隔的要求。

4）產(chǎn)氣情況。ZS76-1 井采用水力無(wú)桿泵進(jìn)行排采，泵深下至煤層水平段780 m 處，排采3 個(gè)月解吸產(chǎn)氣，目前日產(chǎn)氣量6 900 m3，流壓0.35 MPa，套壓0.28 MPa，排采18 月已累計(jì)產(chǎn)氣200 萬(wàn)m3，是周圍直井產(chǎn)量的5～8 倍，產(chǎn)氣效果顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）魚(yú)骨狀可控水平井采用主支套管或篩管完井工藝，具有主支穩(wěn)定支撐、裸眼多分支控面、可分段增產(chǎn)改造、可重復(fù)作業(yè)疏通、可下泵排采、取消洞穴排采井等優(yōu)勢(shì)。

2）前進(jìn)式鉆進(jìn)方式利于鉆井期間主支重入及完井管串的下入，通過(guò)鉆井參數(shù)優(yōu)化及鉆井液體系降低分支夾壁墻垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

3）二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全井井眼通徑，利于后期維護(hù)、作業(yè)，通過(guò)穩(wěn)定井壁可降解鉆井液體系與負(fù)壓洗井、分段改造等工藝的配合，有效解決井壁穩(wěn)定與儲(chǔ)層污染的矛盾。

4）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，魚(yú)骨狀水平井在鉆完井及分段改造、無(wú)桿排采等方面切實(shí)可行，為煤層氣多分支水平井開(kāi)發(fā)提供了一種新的井型。